杭添仁 新闻背景 日前，名为“奥西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex）的美国首个小行星采样返回探测器，由宇宙神5号火箭发射升空，目标是对名叫贝努的小行星进行采样返回探测。它将在2018年8月抵达贝努，并在环绕贝努的轨道上对其进行全球表面成像观测，展开为期两年的科学研究。在2020年7月，探测器将使用机械臂末端的采样器采集至少60克的贝努表面风化层样品，2023年把样品返回地球供科学家研究。 名字取得有意思 近些年来，美国规划了三类深空探测任务，即“发现”（采用小型探测器）、“新疆域”（采用中型探测器）和“旗舰”（采用大型探测器）任务。 其中“新疆域”的任务就是用中型航天器探索太阳系，它的第一项任务是于2006年发射的“新视野”冥王星探测器，已于去年飞掠了冥王星，目前正飞往柯伊伯带去探测；第二项任务是于2011年发射的“朱诺”木星探测器，已于今年进入木星轨道进行探测；第三项任务就是此次发射的“奥西里斯-雷克斯”小行星采样返回探测器，成本为8亿美元，任务周期为7年。 “奥西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex）的全名叫“起源、光谱释义、资源识别、安全性、表土风化层探测器”（The Origins，Spectral Interpretation，Resource Identification，Security-Regolith Explorer）。 其实，“奥西里斯-雷克斯”的任务正如它的全名： 起源 是实现对一颗富碳原始小行星的采样和返回，研究行星的形成和生命的起源； 光谱释义 是用多光谱测量贝努小行星，从而为地面望远镜开展的小行星观测提供直接对比数据参照； 资源识别 是通过光谱测量获得这颗原始富碳小行星的化学、矿物特征，并确认其地质与动力学历史，为采样工作做准备； 安全性 是通过测量雅克夫斯基效应（一颗自转的小行星会在太阳辐射产生的微弱推力的长期作用下出现轨道偏移的现象），以便今后更准确地预报小行星轨道，避免其撞击地球； 表土风化层探测器 是从小行星表面取回不少于60克的风化层，或者说是碎片。 取“奥西里斯-雷克斯”这个名字，也是为了某种象征意义。“奥西里斯”是古代埃及神话中的“九神”之一。根据神话传说，它曾在古埃及的尼罗河三角洲地区传播农业知识。而“奥西里斯-雷克斯”项目是为了从一颗小行星进行采样返回，科学家们认为这颗小行星上的有机物质，可能为早期地球带来了生命的种子。 七年征程路漫漫 “奥西里斯-雷克斯”的太阳电池翼翼展为6.2米，宽2.4米，高3.2米，净质量880千克，加注燃料后的总质量2110千克。“奥西里斯-雷克斯”的飞行旅程是这样的： 巡航段 探测器在深空机动后于2017年9月重新飞越地球，通过借助地球引力作“跳板”来加速飞行。2018年8月开始用光学设备搜索目标贝努，进入接近段飞行。 接近段 探测器在2018年10月与贝努交会之前慢慢接近贝努，进一步精确测定它的形状与自转模型。 初查段和环绕A段 2018年11月，探测器进入初查段与环绕A段，通过估计贝努的质量和探测器相对于贝努的轨道状态，为进入贝努轨道建立导航基础。 详查段 探测器上的科研设备绘制贝努的包括结构、矿物以及化学的组合全球地图，确定其全球光谱、热和地质特性，展示地理特征，揭示其地质及动力学历史。在详查后选出12个可能的采样地点，并测量贝努小行星的轨道是如何受到其表面冷热程度影响的，即雅克夫斯基效应。 环绕B段 科研设备以更高的分辨率绘制贝努小行星的地图，从12个候选的采样地点中选出2个采样地点。除相机组等外，其上的激光高度计也将收集数据以绘制高可信度的贝努小行星地形图。 勘察段 探测器近距离地对可能的采样地点进行一系列飞越活动，从而对候选采样地点的安全情况、样品物质的存在情况以及科学价值等进行评估，并选出最终的一个采样地点。 接触即离段 这是“奥西里斯-雷克斯”整个旅程最精彩的地方，它对贝努小行星进行采样。 返回段 在到达贝努931天后的2021年3月，“奥西里斯-雷克斯”以0.32千米/秒的速度进行返回机动。2023年9月24日，样品返回舱着陆于犹他州测试与训练靶场。 贝努撞地球危险性排第二 贝努的原名叫“1999 RQ 36”，2013年，9岁的迈克·普齐奥在一个竞赛中赢得了给它重新命名的机会。 小行星是太阳系内类似行星环绕太阳运动，但体积和质量比行星小得多的天体。至今，在太阳系内一共已经发现了约70万颗小行星，但这可能仅是所有小行星中的一小部分。根据估计，小行星的数目有数百万。 它们中有一部分是近地小行星，即可能会运行到距离地球非常近的范围内。一般把运行到距离太阳1.3个天文单位（AU，地球到太阳的距离，约为1.5亿千米）范围内的小天体叫近地小行星。探测近地小行星不仅比较容易，而且具有重要意义。例如，能认识太阳系的最初物质组成，更好地研究太阳系的形成和演化；很多近地小行星可能蕴藏着丰富的贵重金属等矿产资源，有很高的开发价值；可为地球自身的安全做好预测和防范，有利于研究、开发出防止近地小行星撞击地球的新方法和技术；可作为载人登火星的中转站，成为深入探索太空的基石。 1999年9月发现的贝努是一颗直径492米的近地小行星。每隔6年左右靠近地球一次。贝努非常黑暗，是富碳小行星，这种小行星被认为是“原始”的，从其形成开始，几乎未发生过地质学变化。其质量约为0.776亿吨，自转周期为4.297天，其绕太阳公转一周的时间大约是436.604天（1.2年），与地球的距离在1.34亿-2.03亿千米之间，是一颗对地球有潜在危险的小行星，有可能在22世纪期间与地球发生碰撞，在2169-2199年间撞击地球的概率为0.071%，撞击地球的危险性目前排在第二位。 贝努小行星与地球的距离、运行轨道、形状尺寸以及含碳丰富的特点，使该小行星成为进行小行星采样返回任务的最佳目标之一。探测贝努能更好地评估内太阳系的风险和资源，对未来发展小行星碰撞规避任务也至关重要。 接触即离采样有秘诀 “奥西里斯-雷克斯”采用接触即离的采样工作方式，是此次任务中最有看点的一部分。 所谓接触即离的方式很像“蜻蜓点水”，即探测器整体并不着陆，当探测器接近目标时伸出采样机械臂，机械臂末端上的采样器与贝努表面只接触几秒钟就能瞬间完成采样，然后迅速飞离小行星。这种方式省去了在采样前的着陆和固定以及采样后离开表面前的解锁过程。另外，当探测器在惯性下落时，接触即离也提供了采样所需要的正常接触力。 这台由洛马公司研制的小行星表面采样设备是一项全新的技术，采样器一旦接触到贝努小行星地表时，就会喷射出一股纯氮气气体，目的是把贝努表面的部分表土层物质吹入设备的样品返回舱。它一共携带了3罐氮气，能够满足3次采样尝试。采样器接触小行星地表的部分也安装了采样装置，在接触地表时也会获取一部分样品。地面模拟试验表明，它应当能够采得超过60克的样品。 样品返回舱也是洛马公司研制的，质量为46千克，继承了2006年 “星尘”彗星探测器返回舱的相关技术，安装了隔热防护罩以及降落伞，用于安全地将收集到的样品返回地球。当采样任务完成后，机械臂会把采样器装进返回器内。任务结束时，装有采样器和小行星样品的样品返回舱是唯一返回地球的组件。 采样完成后，“奥西里斯-雷克斯”于2021年3月开始返回地球的旅程。在进入地球大气前4小时，探测器将释放采样返回舱。随后探测器将进行碰撞规避机动，并不进入地球大气，而是在绕太阳轨道上运行。采样返回舱将以12.2千米/秒的速度进入地球大气，然后通过降落伞系统进行减速，最后在犹他州测试与训练靶场软着陆。 |
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